Piezoaktuatorisches Antriebs- bzw. Verstellelement Piezo actuator drive or adjustment element
Beschreibungdescription
Die Erfindung betrifft ein piezoaktuatorisches Antriebs- bzw. Verstell¬ element gemäß der Gattung des ersten Patentanspruchs, welches sowohl für die Übertragung reiner Translations- als auch Rotationsbewegungen Verwendung finden kann.The invention relates to a piezo actuator drive or adjusting element according to the preamble of the first claim, which can be used both for the transmission of pure translational and rotational movements.
Piezoelektrische Antriebs- und Verstellelemente sind bereits bekannt. Als einfachste Bauform kann dabei ein piezoelektrisches Element sich einer¬ seits an einer ruhenden Auflage abstützen und andererseits gegen ein ver¬ stellbares Bauelement drücken. Bei Anlegen einer elektrischen Spannung an das piezoelektrische Element dehnt sich dieses aus, wodurch das ver¬ stellbare Bauelement auslenkbar ist. Bei solchen Aufbauten, die in viel¬ f ltigen Ausfuhrungen bekannt sind, wird die relativ geringe Längenände¬ rung eines piezoelektrischen Bauelements, die auch bei aus Einzelelementen aufgebauten Stapeln mit Stapelhöhen in der Größenordnung von 20 mm nicht größer als ca. 20 - 30 μm bei maximal zulässiger Anregungsspannung ist, durch Hebelkonstruktionen entsprechend übersetzt. Eine solche Anordnung ist als Präzisionsantrieb z.B. für Justierarbeiten weit verbreitet (vgl. Firmenkatalog der Fa. Physik Instruments, Waldbronn [1994]). Der Nachteil solcher Anordnungen, insbesondere im in Vorrichtungen eingebauten Zustand, besteht darin, daß zum einen das piezoelektrische Element stets eine Arbeit gegen die Hebelaufbauten und entsprechende Rückstellmittel zu leisten hat, zum anderen aber auch darin, daß schwankende Kraft- und Temperatureinflüsse Längenveränderungen des Elements selbst bewirken. Insbesondere wirken sich dabei unterschiedliche thermische Ausdehnungskoeffizienten des piezoelektrischen Materials und dem Material der übrigen Vorrichtung, z.B. Stahl, nachteilig aus. Zur Kompensation dieses Effekts muß das Stellelement bei Temperaturänderungen entweder nachjustiert oder aber vermittels eines empfindlichen Positionsmeßsystems automatisch zu Lasten des verfugba-
ren Stellbereiches nachgeregelt werden. Diese Maßnahmen bedingen jedoch einen z.T. erheblichen zusätzlichen Aufwand. Weiterhin weisen genannte Bauformen durch die Rückstellmittel eine geringe Eigensteifigkeit auf, so daß sie nur mit geringen Reaktionszeiten quasistatisch arbeiten können.Piezoelectric drive and adjustment elements are already known. As the simplest design, a piezoelectric element can be supported on a stationary support on the one hand and press against an adjustable component on the other hand. When an electrical voltage is applied to the piezoelectric element, the latter expands, as a result of which the adjustable component can be deflected. In the case of structures of this type which are known in many designs, the relatively small change in length of a piezoelectric component, which is also not greater than approximately 20-30 μm in the case of stacks composed of individual elements with stack heights of the order of 20 mm maximum permitted excitation voltage is translated accordingly by lever constructions. Such an arrangement is widely used as a precision drive, for example for adjustment work (cf. company catalog from Physik Instruments, Waldbronn [1994]). The disadvantage of such arrangements, especially when installed in devices, is that, on the one hand, the piezoelectric element always has to work against the lever assemblies and corresponding restoring means, and on the other hand, that fluctuating force and temperature influences change the length of the element itself cause. In particular, different coefficients of thermal expansion of the piezoelectric material and the material of the rest of the device, for example steel, have a disadvantageous effect. To compensate for this effect, the control element must either be readjusted in the event of temperature changes, or else automatically by means of a sensitive position measuring system at the expense of the available adjustment range can be adjusted. However, these measures require considerable additional effort. Furthermore, the designs mentioned have a low inherent rigidity due to the resetting means, so that they can work quasi-statically only with short reaction times.
Desweiteren sind auch Bauformen mit piezoelektrischen Elementen bekannt, die durch Addition von Einzelschritten große Verstellbereiche erzielen (vgl.: Müller, F. "Entwicklung eines piezoelektrischen Stoß- antriebes mit ausgeprägter Klemmung", Univ. Diss., Dresden [1986]; Röscher, H. J. "Zur optimalen Gestaltung selbständiger piezoelektrischer Stellantriebe mit magnetischer Klemmung für Mikropositioniereinrich- tungen", TH Diss. Karl-Marx-Stadt [1980]). Beim sogenannten "Inchworm" sind dabei zumindest drei unabhängig arbeitende piezoelek- frische Stapelelemente zu einer Baugruppe vereint, die je nach elektri¬ scher Ansteuerung unterschiedlich kontraktieren oder expandieren, wodurch die Baugruppe Bewegungen ausführt, bzw. diese auf das jeweils anzutreibende Element überträgt. Neben des recht diffizilen konstruktiven Aufbaus solcher Bauformen weisen diese weitere Nachteile auf. So sind die erreichbaren Einzelschrittweiten relativ gering und liegen bei nur ca. 20 μm. Diese Vorrichtungen sind bzgl. Temperaturschwankungen eben¬ falls nicht eigenkompensiert. Mit ihnen sind zwar recht hohe Klemmkräfte erreichbar, die jedoch ihrerseits zu einem relativ hohen Verschleiß bei ihrem Einsatz führen. Eine weitere bekannte Grundvariante für Antriebsbaugruppen mit piezoelektrischen Bauteilen sind sogenannte Stoßantriebe, die als Biege¬ elemente, bestehend aus zwei piezoelektrischen Platten, die gegenläufig mit elektrischen Wechselspannungen beaufschlagt werden, ausgeführt sind. Dabei vollführen die Eingriffspunkte dieser Elemente elliptische Bewegungen, die auf ein Antriebselement einwirken und dieses bspw. in Rotation versetzen können. Insbesondere beim Einsatz mehrerer solcher Elemente sind z.T. erstaunliche Rotationsgeschwindigkeiten erreichbar, jedoch sind nur geringe Drehmomente bzw. Kräfte übertragbar. Neben den geringen Resonanzfrequenzen weisen aber auch diese Elemente einen hohen Verschleiß auf.
In EP 0 574 945 AI ist eine Vorrichtung zur Betätigung eines Ventil¬ elements beschrieben, bei der o.g. Problem der Eigenkompensation bei Temperaturschwankungen durch den Einsatz von zwei piezoelektrischen Stapeln, die jeder für sich auf einen Betätigungshebel für ein Ventil einwirken, begegnet wird. Mit dieser Anordnung werden an beiden, die Stapel erfassenden Schenkeln, an die die Stapel jeweils über Gelenk¬ punkte angebunden sind, Kipp- und/oder Hubbewegungen erzeugt. Die piezoelektrischen Stapelelemente vollführen beim Betrieb der Vorrichtung im wesentlichen freie Bewegungen, wobei sich Dreh- und Kippbewegungen überlagern. Dabei ist dieser Aufbau gegen äußere Kräfte wenig steif und benötigt zusätzliche Anschläge.Furthermore, designs with piezoelectric elements are known which achieve large adjustment ranges by adding individual steps (cf. Müller, F. "Development of a piezoelectric impulse drive with pronounced clamping", Univ. Diss., Dresden [1986]; Röscher, HJ "For the optimal design of independent piezoelectric actuators with magnetic clamping for micropositioning devices", TH Diss. Karl-Marx-Stadt [1980]). In the so-called "inch worm", at least three independently operating piezoelectric stack elements are combined to form a subassembly, which contract or expand differently depending on the electrical control, as a result of which the subassembly executes movements or transmits them to the element to be driven. In addition to the rather difficult construction of such designs, these have further disadvantages. The achievable individual step sizes are relatively small and are only around 20 μm. These devices are also not self-compensated for temperature fluctuations. With them, quite high clamping forces can be achieved, which, however, in turn lead to a relatively high degree of wear during use. Another known basic variant for drive assemblies with piezoelectric components are so-called shock drives, which are designed as bending elements consisting of two piezoelectric plates which are acted upon in opposite directions by alternating electrical voltages. The points of engagement of these elements perform elliptical movements which act on a drive element and can, for example, set it in rotation. In particular, when using several such elements, astonishing rotational speeds can be achieved, but only low torques or forces can be transmitted. In addition to the low resonance frequencies, these elements also show high wear. EP 0 574 945 A1 describes a device for actuating a valve element, in which the above-mentioned problem of self-compensation in the event of temperature fluctuations is countered by the use of two piezoelectric stacks, each of which acts individually on an actuating lever for a valve. With this arrangement, tilting and / or lifting movements are generated on both legs that grip the stack and to which the stack is connected via articulation points. The piezoelectric stack elements perform essentially free movements during operation of the device, with rotary and tilting movements being superimposed. This structure is not very rigid against external forces and requires additional stops.
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein piezoaktuatorisches Antriebs- bzw. Verstellelement anzugeben, das einen einfachen, kom- pakten und sehr steifen Aufbau aufweist, hohe Verstell wege und Reak¬ tionsgeschwindigkeiten ermöglicht, für vielfaltigste Verstell- und Antriebsaufgaben, bei prinzipiell gleichem Aufbau, einsetzbar ist, ohne die Nachteile des Standes der Technik aufzuweisen.The invention is based on the object of specifying a piezoactuator drive or adjustment element which has a simple, compact and very rigid structure, high adjustment paths and reaction speeds, for a wide variety of adjustment and drive tasks, with basically the same structure, can be used without having the disadvantages of the prior art.
Die Aufgabe der Erfindung wird durch die kennzeichnenden Merkmale der Patentansprüche gelöst. Das Wesen der Erfindung besteht darin, daß zwei Stapel aus piezoelektrischem, insbesondere piezokeramischem Material in einer Halterung mit einer symmetrisch wirkenden Kraft beauf¬ schlagt, derart eingespannt sind, daß sie bei Anlegen einer elektrischen Spannung definierte Längenänderungen erfahren, wobei die symmetrisch wirkende Vorspannkraft erhalten bleibt, und genannte Längenänderung mit hoher Übersetzung bzw. großer Kraft auf die Gesamtvorrichtung bzw. geeignete aAntriebsmittel übertragbar sind.The object of the invention is achieved by the characterizing features of the claims. The essence of the invention is that two stacks of piezoelectric, in particular piezoceramic, material are subjected to a symmetrically acting force in a holder, are clamped in such a way that they experience defined changes in length when an electrical voltage is applied, the symmetrically acting prestressing force being retained , and said change in length can be transferred to the overall device or suitable drive means with a high transmission ratio or high force.
Die Erfindung soll nachstehend anhand von zehn Ausführungsbeispielen und beigefügter schematischer Zeichnungen näher erläutert werden. Es zeigen.The invention will be explained in more detail below with reference to ten exemplary embodiments and the attached schematic drawings. Show it.
Fig. 1 einen schematischen Aufbau eines gemäß der Erfindung ausgebildeten reinen Translationselements,
Fig. 2 einen schematischen Aufbau eines gemäß der Erfindung ausgebildeten Antriebselements, mit dem auch Antriebe, insbesondere Schrittantriebe ermöglicht werden,1 shows a schematic structure of a pure translation element designed according to the invention, 2 shows a schematic structure of a drive element designed according to the invention, with which drives, in particular stepper drives, are also made possible,
Fig. 3 einen weiteren schematischen Aufbau, der im Rahmen der Erfindung liegt,3 shows a further schematic structure which is within the scope of the invention,
Fig. 4 einen schematischen Aufbau gemäß der Erfindung, bei dem eine symmetrische Vorspannkraftbeaufschlagung durch asymmetrisch angeordnete Mittel erfolgt,4 shows a schematic structure according to the invention, in which a symmetrical biasing force is applied by asymmetrically arranged means,
Fig. 4a eine spiegelsymmetrische Anordnung zweier Baugrup- pen gemäß Fig. 4,4a shows a mirror-symmetrical arrangement of two assemblies according to FIG. 4,
Fig. 5 einen erfindungsgemäßen Aufbau in schematischer Draufsicht, bei dem vier piezoelektrische Stapel zur Anwendung gelangen,5 shows a construction according to the invention in a schematic plan view, in which four piezoelectric stacks are used,
Fig. 6 einen schematischen Aufbau, bei dem unter Einsatz erfindungsgemäßer Elemente eine Verstellung in mehreren Koordinatenrichtungen ermöglicht wird,6 shows a schematic structure in which an adjustment in several coordinate directions is made possible using elements according to the invention,
Fig. 7 eine Variante eines linearen Aufbaus eines Antriebs mit zwei erfindungsgemäßen ElementenFig. 7 shows a variant of a linear structure of a drive with two elements according to the invention
Fig. 8 eine schematische Draufsicht einer erfindungsgemäßen Anordnung zur Verschiebung bzw. Drehimg einesFig. 8 is a schematic plan view of an arrangement according to the invention for shifting or rotating a
Tisches,Table,
Fig. 9 und 10 schematisch dargestellte Anordnungen zum Rota¬ tionsantrieb von Wellen bzw. Hohlzylindern unter Ver¬ wendung erfindungsgemäßer Antriebselemente.9 and 10 schematically illustrated arrangements for the rotary drive of shafts or hollow cylinders using drive elements according to the invention.
In Figur 1 ist ein erfindungsgemäßes Bauelement, das in seiner Gesamt¬ heit im weiteren mit 10 bezeichnet werden soll, in Ruhestellung dar¬ gestellt, bei dem zwei in Stapelform vorliegende piezokeramische Bau¬ gruppen 1 , 2 mit einem Abstand von 1 mm nebeneinander parallel ange- ordnet sind. Stirnflächen 11 bzw. 21 eines jeden Stapels stützen sich einerseits über eine verkippbare Anbindung 1 1 1 bzw. 211, die im Beispiel als in einer Dimension verkippbares Festköφergelenk ausgeführt sein kann, an einem Schenkel 3 ab. Andererseits sind die zweiten Stapelstirnflächen 110 und 210 von einer biegesteifen Traverse 4 gemeinsam erfaßt, an welcher genannte zweiten Stirnflächen im übrigen plan und starr aufliegen. Im Beispiel weist die Traverse 4 ein mittig
zwischen den Stapelachsen angeordnetes Festköφergelenk 8 auf. Die bis hierher genannten Baugruppen sind in einem Festköφeφarallelogramm eingespannt, das aus genanntem Schenkel 3, einem weiteren Schenkel 7 und diese zu beiden Seiten verbindenden Mittel 5, 6 gebildet ist. Ebenso liegt es im Rahmen der Erfindung, die Einspannung und symmetrische Kraftbeaufschlagung der genannten zwei Stapel 1, 2 über einen, nicht dargestellten, symmetrisch zu den Stapeln 1, 2 angeordneten Zuganker zu realisieren. Genannte Mittel 6 sind im Beispiel als Festköφergelenke ausgebildet. Parallel zu genannten Stapelachsen wirkende Vorspannmittel 5, sind bspw. mit Schrauben o.a. ergänzbar, die eine definierteIn FIG. 1, a component according to the invention, which is to be referred to in its entirety hereinafter as 10, is shown in the rest position, in which two piezoceramic assemblies 1, 2, which are in stack form, are arranged parallel to one another at a distance of 1 mm - are arranged. End faces 11 and 21 of each stack are supported on a leg 3 on the one hand via a tiltable connection 1 1 1 or 211, which in the example can be designed as a solid body articulated in one dimension. On the other hand, the second stack end faces 110 and 210 are jointly gripped by a rigid crossmember 4, on which said second end faces rest flat and rigid. In the example, the traverse 4 has a center arranged between the stacking axes fixed body joint 8. The assemblies mentioned so far are clamped in a Festköφeφarallelogram, which is formed from said leg 3, another leg 7 and means 5, 6 connecting these on both sides. It is also within the scope of the invention to implement the clamping and symmetrical application of force to the two stacks 1, 2 mentioned by means of a tie rod, not shown, arranged symmetrically to the stacks 1, 2. Means 6 are designed in the example as fixed-body joints. Preloading means 5 acting parallel to the stacking axes mentioned can be supplemented, for example, with screws or the like, which have a defined one
Einstellung der Vorspannkraft, die in der Größenordnung von 20 -Setting the preload, which is on the order of 20 -
25 N/mm2 liegen sollte, ermöglichen, welche nicht näher dargestellt sind, da die absolute Größe der Vorspannkraft die grundsätzliche25 N / mm 2 should allow, which are not shown in detail, since the absolute magnitude of the biasing force the basic
Funktionsfähigkeit der Erfindung nicht weiter berührt. Werden nun die piezokeramischen Stapel mit voneinander differierenden elektrischen Spannungen beaufschlagt, führt dies zu einer voneinander abweichenden Kontraktion bzw. Expansion der Stapel in ihrer durch Pfeile angedeuteden Achsrichtung, was ein leichtes Verkippen der Stapel bewirkt, die ihrerseits über das Festköφergelenk 8 der gemeinsamen Traverse 4 mit dem Schenkel 7 in Eingriff stehen und somit ein seitliches Auslenken des Festköφeφarallelogramms (angedeutet durch einen Doppelpfeil) wegen der, durch die Festköφergelenke 6 geschaffenen Ausweichmöglichkeit nach sich zieht. Auf diese Weise sind bei Einsatz von ca. 20 mm hohen piezokeramischen Stapeln, die bei maximal anlegbarer Spannung weiterhin nur Längenänderungen zwischen 20 μm bis 30 μm aufweisen, seitliche Auslenkungen des Fest¬ köφeφarallelogramms in der Größenordnung von 200 - 250 μm über¬ setzbar. Die Hauptvorteile der beschrieben (und auch im weiteren zu beschreiben- den) Anordnungen) bestehen darin, daßFunctionality of the invention is not affected. If the piezoceramic stacks are now subjected to differing electrical voltages, this leads to a contraction or expansion of the stacks which deviate from one another in their axial direction, which is indicated by arrows, which causes the stacks to tilt slightly, which in turn via the solid body joint 8 of the common traverse 4 the leg 7 are engaged and thus a lateral deflection of the Festköφeφarallelogramms (indicated by a double arrow) because of the possibility of evasion created by the Festköφer joints 6 entails. In this way, when using approximately 20 mm high piezoceramic stacks, which continue to have only length changes between 20 μm to 30 μm when the maximum voltage can be applied, lateral deflections of the fixed body parallelogram in the order of magnitude of 200-250 μm can be translated. The main advantages of the arrangements described (and also to be described below) are that
- durch die Verwendung zweier Stapel die Vorrichtung bzgl. Temperatur¬ veränderungen eigenkompensiert ist,the device is self-compensated for temperature changes by using two stacks,
- bei elektrischer Aufladung der Stapel im Gegentakt keine Arbeit gegen die Schenkel 3 und 7 oder sonstige Vorspannmittel zu leisten ist, wes- halb die Vorspannung bei dieser Betriebsweise sehr steif ausgelegt sein kann,
- große Auslenkungen bei gleichzeitig definiert und präzise einstellbaren Absolutauslenkungen erreichbar sind,- When the stack is electrically charged, no work is to be done against the legs 3 and 7 or other pretensioning means, which is why the pretensioning can be designed to be very rigid in this mode of operation, large excursions with simultaneously defined and precisely adjustable absolute excursions can be achieved,
- bei elektrischer Aufladung der Stapel im Gegentakt, eine definierte aktive Rückstellung (bzw. Gegenauslenkung in anderer Richtung) der Vorrichtung, ohne eine zusätzliche äußere Kraftbeaufschlagung, erfolgt und- With electrical charging of the stack in push-pull, a defined active resetting (or counter-deflection in another direction) of the device takes place and without an additional external force
- extrem kurze Stellzeiten (ca. 1 ms) ohne Überschwingen oder Reso¬ nanzerscheinungen erreichbar ist.- Extremely short positioning times (approx. 1 ms) can be achieved without overshoot or resonance.
Ein weiterer im Rahmen der Erfindung liegender Aufbau 10' ist in Figur 2 schematisch dargestellt. Grundsätzlich analog zu Fig. 1 sind hier wieder zwei piezokeramische Stapel 1, 2 zwischen einem Schenkel 3 und eine gemeinsame biegesteife Traverse 4 eingespannt. Der Traverse 4 ist im Beispiel, ohne deren sonstige weitere Gestaltung im Rahmen der jeweili- gen Verwendung damit zu beschränken, eine ballige Oberfläche gegeben. Im Unterschied zu Fig. 1 ist hier die symmetrische Kraftbeaufschlagung der beiden Stapel durch symmetrisch die Stapel umschließende Feder¬ mittel, die im Beispiel als Biegefedern 5 ausgebildet sind, realisiert, die nicht nur durch ihre Anbindung an die Traverse 4 und den Schenkel 3 eine Kraft auf die Stapel ausüben, sondern zugleich auch die Funktion der Festköφergelenke 6 (wie in Fig. 1) übernehmen. Eine elektrische Spannungsansteuerung analog zu Fig. 1 ist hier ebenfalls möglich. Von besonderer Bedeutung ist jedoch eine elektrische Ansteuerung der beiden Stapel 1, 2 mit einer wählbaren Phasenverschiebung eines Sinus- spannungsanteils bspw. mit 90°. Die Bewegung, die der Kulminations¬ punkt 9 der Traverse 4 ausführt, wird in diesem Fall komplizierter; er führt dann nämlich eine elliptische Bewegung aus, die strichliniert ange¬ deutet ist. In Richtung der kleinen Halbachse z wirkt dann zusätzlich eine nicht übersetzte gleichsinnige Längenänderung der Stapel 1, 2. Der Hub in dieser Richtung ist zwar klein, es sind aber große Kräfte übertragbar. Die Größe des Hubs in z-Richtung ist durch die Federcharakteristik der Vorspannfedern 5 beeinflußt. Je geringer deren Steifigkeit ist, um so größer ist der erreichbare Hub in dieser Richtung und nur begrenzt durch die maximal erzielbare Expansion der Stapel 1, 2. Eine derartige Ausfüh- rung und Betriebsweise der Erfindung ist besonders geeignet für deren Einsatz als Schrittantrieb. Läßt man die Traverse 4 in der Phase einer
gleichsinnigen Expansion in x-Richtung gegen eine translatorisch beweg¬ liche Gegenfläche 90 drücken, so daß eine kraftschlüssige Verbindung hergestellt wird, so wird in der nachfolgenden Phase diese Gegenfläche mit hebelübersetzter Auslenkung in x-Richtung verschoben. In der Kontraktionsphase der Stapel löst sich genannte Verbindung und es erfolgt eine freie Rückwärtsbewegung der Traverse bis zur erneuten Herstellung einer kraftschlüssigen Verbindung. Bei Einsatz von piezoelektrischen Stapeln mit typischen Längen von 20 mm läßt sich dabei ein Hub von ca. 15 μm in z-Richtung und eine Auslenkung von ca. 200 μm in x-Richtung erreichen. Wird die Expansion der Stapel 1, 2 in Klemmrichtung beim Erreichen der Koppelfläche begrenzt, so wirkt wegen der großen Eigensteifigkeit der Stapel eine hohe Klemmkraft. Wird die Traverse 4, wie im Beispiel dargestellt, mit einer abgerundeten Oberfläche ausgebildet, bzw. zusätzlich mit einer solchen versehen, so kann eine linienhafte Ankopplung an die anzutreibende Gegenfläche erfolgen, die wenig Justageaufwand erfordert, wodurch ein besonders verschleißarmer Betrieb gewährleistet ist. Ein solcher Antrieb ist problemlos mit 1 kHz betreibbar, wodurch Vorschubgeschwindigkeiten von mindestens 100 mm/s erreichbar sind. Durch Einstellen des Phasenwinkels zwischen 0° und 180° kann die Bewegungsamplitude und damit die Schrittweite von 0 - 200 μm stufenlos eingestellt und damit die Funktion eines stufenlos arbeitenden Getriebes realisiert werden. Phasenwinkel zwischen 180° und 360° erzeugen entsprechende Schritte in entgegengesetzter Richtung. Für Feinpositionierungen ist durch statische Ansteuerung der Stapel im Gegentakt entsprechend des Ausführungsbeispiels zu Fig. 1 ein Stellbetrieb mit höchster Präzision realisierbar.Another structure 10 'within the scope of the invention is shown schematically in FIG. Basically analogous to FIG. 1, here again two piezoceramic stacks 1, 2 are clamped between one leg 3 and a common rigid cross-member 4. In the example, the crossbeam 4 is given a spherical surface without restricting its other further design within the scope of the respective use. In contrast to FIG. 1, the symmetrical application of force to the two stacks is realized by spring means symmetrically surrounding the stack, which in the example are designed as spiral springs 5, which not only have a force due to their connection to the cross member 4 and the leg 3 exert on the stack, but at the same time also take on the function of the solid joints 6 (as in FIG. 1). An electrical voltage control analogous to FIG. 1 is also possible here. However, electrical control of the two stacks 1, 2 with a selectable phase shift of a sine voltage component, for example at 90 °, is of particular importance. In this case, the movement which the culmination point 9 of the traverse 4 carries out becomes more complicated; it then executes an elliptical movement which is indicated by dashed lines. In the direction of the small semiaxis z, an untranslated change in length of the stacks 1, 2 acts in the same direction. The stroke in this direction is small, but large forces can be transmitted. The size of the stroke in the z direction is influenced by the spring characteristic of the biasing springs 5. The lower their stiffness, the greater the stroke that can be achieved in this direction and only limited by the maximum achievable expansion of the stacks 1, 2. Such an embodiment and mode of operation of the invention is particularly suitable for its use as a stepper drive. If you leave the traverse 4 in the phase one Press expansion in the same direction in the x direction against a translationally movable counter surface 90, so that a force-locking connection is established, so in the subsequent phase this counter surface is displaced in the x direction with lever-translated deflection. In the contraction phase of the stack, the connection mentioned comes loose and there is a free backward movement of the crossmember until a non-positive connection is established again. When using piezoelectric stacks with typical lengths of 20 mm, a stroke of approx. 15 μm in the z direction and a deflection of approx. 200 μm in the x direction can be achieved. If the expansion of the stacks 1, 2 in the clamping direction is limited when the coupling surface is reached, the stack has a high clamping force because of the high inherent rigidity. If the traverse 4, as shown in the example, is formed with a rounded surface, or is additionally provided with such a surface, then a linear coupling to the counter surface to be driven can take place, which requires little adjustment effort, which ensures particularly low-wear operation. Such a drive can easily be operated at 1 kHz, which means that feed speeds of at least 100 mm / s can be achieved. By adjusting the phase angle between 0 ° and 180 °, the movement amplitude and thus the step size from 0 - 200 μm can be set continuously and the function of a continuously operating transmission can be realized. Phase angles between 180 ° and 360 ° generate corresponding steps in the opposite direction. For fine positioning, the actuating operation can be implemented with the highest precision by statically actuating the stack in push-pull according to the exemplary embodiment in FIG. 1.
In Figur 3 ist eine weitere Ausgestaltung der Erfindung dargestellt. Diese Anordnung erzeugt bei φ = 0° einen Hub (Δz) in z-Richtung und bei φ = 180° eine Verkippung (Δαr) des Schenkels 3 um einen Punkt 9', die durch Anbringung eines strichliniert dargestellten Hebels 12 in eine Translation (Δx) in x-Richtung gewandelt werden kann. Der Vorteil einer solchen Ausbildung besteht in einer durch die Länge des Hebels 12 ein- stellbaren Übersetzung in x-Richtung und der geringen effektiv zu bewe¬ genden Masse, wodurch noch größere Reaktionsgeschwindigkeiten als
nach den Ausführungen von Fig. 1 und Fig. 2 erreichbar sind. Ebenso kann genannter Hebel 12 auch abgewinkelt ausgebildet sein, wenn kein Hub erforderlich ist.A further embodiment of the invention is shown in FIG. This arrangement produces a stroke (Δz) in the z direction at φ = 0 ° and a tilt (Δαr) of the leg 3 about a point 9 'at φ = 180 °, which is achieved by attaching a lever 12 shown in broken lines into a translation (Δx ) can be converted in the x direction. The advantage of such a design is a translation in the x-direction that can be adjusted by the length of the lever 12 and the low mass that can be effectively moved, as a result of which even greater reaction speeds than 1 and FIG. 2 are achievable. Likewise, said lever 12 can also be angled if no stroke is required.
Figur 4 zeigt eine andere prinzipielle Ausführungsmöglichkeit gemäß der Erfindung, bei der die geforderte symmetrische Aufbringung der Vor¬ spannkraft auf beide piezoelektrische Stapel 1 , 2 mittels asymmetrisch angebrachter Druck- und Zugelemente 5', 5" erfolgt. Die Einbringung von bspw. Festköφergelenken 6 in eine seitlich angeordnete Druckstange 5' ermöglicht die unter Fig. 1 angesprochene seitliche Auslenkung der Anordnung. Entsprechend zu gestaltende, nicht näher dargestellte Antriebsköφer sind bspw. auf einer Querstange 91 zusätzlich anbringbar. Eine Ausführung gemäß dieser Figur erlaubt einen besonders platz- und massesparenden Aufbau der Krafterzeugungs- und Kippelemente sowie der Traverse 4 und damit sehr hohe Reaktionsgeschwindigkeiten. Durch die mit einer derartigen Ausfuhrung geschaffene Möglichkeit, der Ausbil¬ dung einer spiegelsymmetrischen Anordnung mit sehr eng benachbarten Koppelpunkten, wie in Fig. 4a schematisch dargestellt (wobei dort ein Betrieb der jeweiligen Stapelpaarungen im Gegentakt angedeutet ist), wird ein äußerst ruhiger Betrieb der Gesamtvorrichtung gewährleistet.FIG. 4 shows another possible embodiment according to the invention, in which the required symmetrical application of the pretensioning force to both piezoelectric stacks 1, 2 is carried out by means of asymmetrically attached push and pull elements 5 ', 5 " A laterally arranged push rod 5 'enables the lateral deflection of the arrangement mentioned under Fig. 1. Drive bodies which are to be designed accordingly and are not shown in more detail can, for example, be additionally attached to a cross rod 91. An embodiment according to this figure permits a particularly space-saving and mass-saving structure of the Force generation and tilting elements as well as the traverse 4 and thus very high reaction speeds, because of the possibility created with such an embodiment, the formation of a mirror-symmetrical arrangement with very closely adjacent coupling points, as shown schematically in FIG he respective stack pairings are indicated in push-pull), an extremely quiet operation of the overall device is guaranteed.
In Figur 5 ist schematisch eine teilweise Anordnung in Draufsicht darge¬ stellt, bei der nicht nur, wie bisher beschrieben, zwei piezoelektrische Stapel, sondern vier zum Einsatz gelangen, welche analog zu den Figuren 1 und 2 nicht an einen Schenkel 3, sondern an eine Schenkelplatte 30 andrücken. Die piezoelektrischen Stapel 1, 1', 2, 2' sind dabei im Karree verteilt angeordnet. Je nach dem, ob diese Anordnung an einer Traver¬ senplatte 40 oder der Schenkelplatte 30 festgehalten wird, ergibt sich analog zu den Figuren 2 und 3 eine zweidimensionale xy- Verschiebung oder eine zweidimensionale Verkippung um die x- und y-Achse, die ggf. durch einen hier nicht dargestellten Hebel (analog zu Hebel 12 in Fig. 3) in eine xy- Verschiebung gewandelt werden kann. Durch eine entspre¬ chend des zweiten und dritten Ausführungsbeispiels beschriebene Ansteuerung können diese Bewegungsformen jeweils mit Hubbe- wegungen in z-Richtung kombiniert werden (Ellipsen). Eine solche 4- Stapel-Anordnung ist äußerst kompakt und kann einen x-y- Verstell-
antrieb, bestehend aus zwei orthogonal verbundenen, jeweils nur eindimensional wirkenden Anordnungen, wie nachfolgend ausgeführt wird, ersetzen. Die schenkelplattenseitge Verkippungsmöglichkeit der Einzelstapelanbindung muß hierbei jedoch derart ausgeführt sein, daß mehr als ein Freiheitsgrad zugelassen ist. Dies kann z.B. durch kegel¬ förmig, vorzugsweise pilzkopfartig, insbesondere als Festköφergelenk ausgebildete Kopplungsstellen realisiert sein.FIG. 5 schematically shows a partial arrangement in plan view, in which not only two piezoelectric stacks are used, as previously described, but four, which, as in FIGS. 1 and 2, are not attached to one leg 3 but to one Press on leg plate 30. The piezoelectric stacks 1, 1 ', 2, 2' are arranged distributed in the square. Depending on whether this arrangement is held on a traverse plate 40 or the leg plate 30, a two-dimensional xy shift or a two-dimensional tilting about the x and y axis results, analogously to FIGS. can be converted into an xy shift by a lever (not shown here) (analogous to lever 12 in FIG. 3). By means of a control described in accordance with the second and third exemplary embodiments, these forms of movement can each be combined with stroke movements in the z direction (ellipses). Such a 4-stack arrangement is extremely compact and can be adjusted by an xy Replace the drive, consisting of two orthogonally connected, one-dimensional arrangements, as explained below. However, the possibility of tilting the single-stack connection on the side of the side plates must be such that more than one degree of freedom is permitted. This can be achieved, for example, by means of a cone-shaped, preferably mushroom-shaped, in particular as a solid body coupling points.
Figur 6 zeigt in sehr vereinfachter Form eine Kombination zweier erfin- dungsgemäßer Elemente 10, die einseitig fest miteinander so verbunden sind, daß ihre Wirkrichtungen orthogonal zueinander und ebenfalls ver¬ bunden sind, wodurch gleichfalls ein x-y-Verstellantrieb eines strichliniert angedeuteten Tisches 92 realisierbar ist. Dieser erfindungsgemäße Aufbau ist gegenüber einer Ausführung gemäß Fig. 5 zwar etwas voluminöser, dafür aber in der elektrischen Beschaltung der piezoelektrischen Stapel überschaubarer. Wie sich leicht erkennen läßt, ist, durch eine weitere Anbindung eines dritten erfindungsgemäßen Elementes 10 mit zu gezeigten beiden wiederum orthogonaler Wirkrichtung, auf einfache Weise ein x-y-z- Versteilantrieb fertigbar.FIG. 6 shows, in a very simplified form, a combination of two elements 10 according to the invention, which are firmly connected on one side in such a way that their directions of action are orthogonal to one another and also connected, as a result of which an x-y adjustment drive of a table 92 indicated by dashed lines can also be realized. Compared to an embodiment according to FIG. 5, this construction according to the invention is somewhat more voluminous, but more manageable in the electrical wiring of the piezoelectric stacks. As can be easily recognized, an x-y-z adjustment drive can be manufactured in a simple manner by a further connection of a third element 10 according to the invention with the direction of action shown to be again orthogonal.
In Figur 7 ist eine weitere Möglichkeit eines Schrittantriebes mit mehreren erfindungsgemäßen Elementen dargestellt. Die beiden erfindungsgemäßen Antriebselemente 10 sind hierbei um 180° gegenüberstehend, ansonsten aber in einer Ebene angeordnet. Werden beide mit identischen Spannungsverläufen symmetrisch beaufschlagt, wirken sie auch beide gleichzeitig auf ein anzutreibendes Element 93 ein, wobei sich die auf das Element 93 einwirkenden Koppelkräfte gegenseitig kompensieren, was zu folgenden Vorteilen führt:FIG. 7 shows a further possibility of a step drive with several elements according to the invention. The two drive elements 10 according to the invention are opposite each other by 180 °, but are otherwise arranged in one plane. If both are subjected to identical voltage profiles symmetrically, they both also act simultaneously on an element 93 to be driven, the coupling forces acting on the element 93 mutually compensating one another, which leads to the following advantages:
- exaktes Ein- und Auskoppeln mit geringem Hub, - keine Anregung von Resonanzen des anzutreibenden Elements 93 und- precise coupling and uncoupling with a small stroke, - no excitation of resonances of the element 93 and
- geringer Aufwand für Lagerung und Führung.- Little effort for storage and management.
Ebenso kann in dieser Ausführungsform statt der schematisch ange¬ deuteten Antriebselemente 10 je eine Antriebsausbildung nach Fig. 4a zum Einsatz gelangen, wobei dann die durch 10'a und 10T) gebildeten und auf einer gemeinsamen Basis angeordneten Antriebe (vgl. Fig. 4a) im Gegentakt betrieben werden. Dies bewirkt, daß eines der Antriebspaare,
bei einem Aufbau gemäß Fig. 7, immer im Gegentakt in bezug auf das anzutreibende Element in gekoppelter Stellung verbleibt, während der jeweils andere sich in Rückholbewegung befindet. Dabei wird die Basis wesentlich gleichmäßiger belastet und es treten nur Verkippkräfte auf, die durch eine Parallelogrammanbindung an ein Gehäuse kompensierbar sind.Likewise, in this embodiment, instead of the schematically indicated drive elements 10, a drive design according to FIG. 4a can be used, in which case the drives formed by 10'a and 10T) and arranged on a common basis (see FIG. 4a) in FIG Be operated push-pull. This causes one of the drive pairs, 7, always remains in push-pull with respect to the element to be driven in the coupled position, while the other is in the return movement. The base is loaded much more evenly and only tilting forces occur that can be compensated for by a parallelogram connection to a housing.
In Figur 8 sind schematisch je parallel zu einem Paar und die Paare ortho¬ gonal zueinander angeordnete Einzelantriebe 10 in Draufsicht dargestellt. Diese Einzelantriebe 10 können zum einen entweder nur paarweise gegenüberstehend mit genannten Spannungsverläufen gleichsinnig ange¬ steuert werden, so daß eine aufeinanderfolgende oder auch parallel ablau¬ fende x-y- Verschiebung eines strichliniert dargestellten Verstelltisches 92 möglich wird. Zum anderen ist auch eine jeweils paarweise Ansteuerung gegenüberliegender Einzelelemente im entgegengesetzten Richtungssinn möglich, wodurch sich der Tisch 92 in Rotation versetzen läßt. Die jeweilig erreichbaren Bewegungsrichtungen sind durch Doppelpfeile angedeutet.FIG. 8 schematically shows a top view of individual drives 10 arranged parallel to one pair and the pairs orthogonally to one another. On the one hand, these individual drives 10 can be driven in pairs in the same direction, with the voltage profiles mentioned, so that a successive or parallel x-y displacement of an adjustment table 92 shown in broken lines is possible. On the other hand, it is also possible to control opposing individual elements in pairs in the opposite direction, whereby the table 92 can be set in rotation. The directions of movement that can be achieved are indicated by double arrows.
In Figur 9 und 10 sind Gestaltungsformen beschrieben, bei denen mehrere erfindungsgemäße Antriebselemente 10' entweder am Außenumfang einer Welle 94 (Fig. 9) oder am Innenumfang eines Hohlzylinders 95 (Fig. 10) angreifen. Auch auf diese Weise ist ein Schrittantrieb für rotierende Bewegungen realisierbar. Die Zahl der dabei zum Einsatz gelangenden erfindungsgemäßen Elemente 10 und damit die maximal erreichbare Klemmkraft ist entsprechend des aufzubringenden Drehmoments auf leichte Weise anpaßbar. Ebenso ist die elektrische Ansteuerung aller Antriebselemente 10 bezüglich ihrer Schrittweite und des zeitlichen Ablaufs zueinander beliebig wählbar, z.B. um einen optimalen Rundlauf zu erzielen.FIGS. 9 and 10 describe design forms in which a plurality of drive elements 10 ′ according to the invention act either on the outer circumference of a shaft 94 (FIG. 9) or on the inner circumference of a hollow cylinder 95 (FIG. 10). A step drive for rotating movements can also be implemented in this way. The number of elements 10 according to the invention which are used in this case and thus the maximum achievable clamping force can be easily adapted in accordance with the torque to be applied. Likewise, the electrical control of all drive elements 10 can be selected as desired with respect to their step size and the time sequence with respect to one another, e.g. to achieve optimal concentricity.
Bei allen beschriebenen Antriebsaufgaben ist zu beachten, daß für eine gegebene Art der Anbringung eines Stapelpaares der erreichbare Ver¬ stellweg von der Größe der Gegenkraft abhängt. Übersteigt die Gegen- kraft die sogenannte Blockierkraft, so wird der Stellweg Null. Ebenso kann ein Piezoaktuator gemäß der Erfindung am Ende seines maximalen
Hubs keine Kraftwirkung mehr erzeugen; allerdings verfügen gut ge¬ fertigte Piezostapel über eine sehr große Eigensteifigkeit und bringen bei einer Bauhöhe von genannten 20 mm, bei einem Querschnitt von 8 x 8 mm, immerhin Blockierkräfte in der Größenordnung von 2 kN auf. Für jeden Aktuatortyp hängt also der bei einer gegebenen Anregungs¬ spannung tatsächlich ausführbare Hub von den speziellen Einsatzbe¬ dingungen ab.In all the drive tasks described, it should be noted that for a given type of attachment of a pair of stacks, the adjustment path that can be achieved depends on the magnitude of the counterforce. If the counterforce exceeds the so-called blocking force, the travel path becomes zero. Likewise, a piezo actuator according to the invention can reach its maximum Hubs no longer generate force; However, well-made piezo stacks have a very high inherent stiffness and at least 20 mm, with a cross section of 8 x 8 mm, have blocking forces in the order of magnitude of 2 kN. For each actuator type, the stroke that can actually be carried out at a given excitation voltage depends on the special conditions of use.
Alle in der Beschreibung, den nachfolgenden Ansprüchen und der Zeich- nung dargestellten Merkmale können sowohl einzeln als auch in belie¬ biger Kombination miteinander erfindungswesentlich sein.
All features shown in the description, the following claims and the drawing can be essential to the invention both individually and in any combination with one another.
1, 2 piezoelektrische Stapelelemente1, 2 stacked piezoelectric elements
10, 10',10, 10 ',
10'a, 10'b - erfindungsgemäße Gesamtelemente10'a, 10'b - overall elements according to the invention
11, 21 erste Stapelenden11, 21 first stack ends
110, 210 - zweite Stapelenden110, 210 - second stack ends
111, 21 1 verkippbare Anbindungen , 7 Schenkel111, 21 1 tiltable connections, 7 legs
Traverse 0 Traversenplatte , 5', 5" - Mittel zur Kraftbeaufschlagung gelenkig wirkende MittelTraverse 0 Traverse plate, 5 ', 5 "- means for applying force to articulated means
FestköφergelenkFixed body joint
Kulminationspunkt ' VerkippungspunktCulmination point 'tilt point
12 Hebel 0 Gegenfläche 1 Querstange 2 Tisch 3 anzutreibendes Element 4 Welle 5 Hohlzylinder
12 lever 0 counter surface 1 cross bar 2 table 3 element to be driven 4 shaft 5 hollow cylinder